EP2586089B1 - Verfahren zur überwachung eines ladevorgangs einer batterie - Google Patents

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EP2586089B1
EP2586089B1 EP11719534.7A EP11719534A EP2586089B1 EP 2586089 B1 EP2586089 B1 EP 2586089B1 EP 11719534 A EP11719534 A EP 11719534A EP 2586089 B1 EP2586089 B1 EP 2586089B1
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EP
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battery
temperature
charging
cell
motor vehicle
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Christian Kluthe
Francois Mothais
Berengar Krieg
Stephan Leuthner
Martin Lang
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a charging process of a battery, a battery system and a motor vehicle, which is designed to carry out the method.
  • batteries are used in lithium-ion or nickel-metal hydride technology, which have a large number of series-connected electrochemical battery cells.
  • a battery management system is used to monitor the battery and, in addition to safety monitoring, should ensure the longest possible service life.
  • the voltage of each individual battery cell is measured together with the battery current and the battery temperature and made a state estimation (for example, the state of charge or the aging state of the battery).
  • a state estimation for example, the state of charge or the aging state of the battery.
  • Fig. 1 shows a typical time course of a charging current I and a cell voltage of a battery cell U during a known from the prior art charging a lithium-ion battery.
  • the battery is charged with a constant current, so that the cell voltage of a battery cell increases.
  • the charge current decreases in this phase P2 approximately exponentially.
  • the charging process is terminated as soon as either a predetermined charging time is reached or a predetermined value of the charging current is exceeded.
  • the described charging strategy is called CC-CV charge according to its characteristic phases.
  • the battery management system of the battery constantly monitors the temperatures in the battery subdividing battery modules and all cell voltages.
  • the predetermined safety thresholds for a maximum cell temperature or a minimum or maximum cell voltage eg U max in Fig.1
  • the battery management system automatically opens the high-voltage contactors of the battery and switches them off (or de-energized).
  • This safety function is needed to protect the battery from irreparable damage, which in extreme cases could also lead to instability of the battery pack.
  • Even the case of an increased battery temperature (above a predetermined operating temperature) should be largely avoided in operation, as this pulls an accelerated aging of the battery pack by itself.
  • the battery management system also continuously reports the values of the cell voltages and module temperatures during the charging process to a control unit of a charger used for charging the battery.
  • the battery heats up due to power loss.
  • a climate control compressor is switched on by a main control unit of an electric motor vehicle comprising the battery as soon as the battery temperature exceeds a predetermined limit value.
  • Fig. 2a shows the time course of a current I G and a voltage U G in or on a comprehensive battery, the air conditioning compressor and the charger overall system during the charging of the battery.
  • Fig. 2b shows the simultaneous course of a charging current I B and a charging voltage U B in or on the battery.
  • a switch-on of the air conditioning processor takes place in each case. This requires in the short term an increase in the current I G , which is not provided by the charger alone but can also be supplied from the battery. This has the consequence that the charging current I B breaks in the short term at both times.
  • the controller of the charger measures the charging current drop and compensates for the power loss immediately by increasing the charging voltage U B.
  • the US Pat. No. 6,285,161 B1 discloses a battery charging system having a voltage limit, wherein when the voltage limit is exceeded, a leakage current is generated.
  • the US 5652 501 A shows a voltage sensor for measuring voltages in battery cells of a battery.
  • a method for monitoring a charging process of a battery preferably a lithium-ion battery
  • the battery, a charging module which supplies the battery with a charging current, and at least one additional electrical consumer are components of an electrical circuit.
  • the battery includes a plurality of battery cells connected in series.
  • the method comprises the following steps: Cell voltages of a plurality of battery cells are measured at regular time intervals, and loading of the battery by a switch-on operation of the additional electrical load is prevented if the measured cell voltage of a battery cell exceeds a predetermined cell voltage threshold. Through these steps is prevents uncontrolled shutdown of the battery due to the violation of the maximum cell voltage limit by the involvement of the additional consumer.
  • the battery and the additional consumer may be parts of a motor vehicle, and a main control unit of the motor vehicle may drive the additional load.
  • the additional consumer is an electric cooling unit for cooling the battery, in particular an air conditioning compressor.
  • a battery charging current and at least one temperature of the battery are measured at regular time intervals, an estimated value is determined depending on the cell voltages, the battery charging current and the temperature, which of an estimated maximum temperature in the battery at uninterrupted Continuation of the charging process corresponds; and the electrical cooling unit is turned on when the estimated value exceeds a predetermined temperature threshold, but not when the measured cell voltage of a battery cell exceeds the predetermined cell voltage threshold.
  • the estimated value can be determined by a battery management unit and sent to the main control unit of the motor vehicle.
  • the estimate may be communicated by the battery management unit via a controller area network (CAN) bus to the vehicle's main controller.
  • CAN controller area network
  • the battery management unit has a plurality of voltage measuring units configured to measure a cell voltage of each of a battery cell, at least one temperature measuring unit configured to measure a temperature of the battery, at least one current measuring unit configured to measure a battery charging current, and a controller connected to the voltage measuring units, the temperature measuring unit and the current measuring unit.
  • the controller is designed to determine an estimated value, which corresponds to the maximum temperature in the battery when the charging process is continued, during a charging process of the battery as a function of the battery charging current, the cell voltages and the temperature.
  • an activation of a cooling unit for cooling the battery can take place already in an earlier phase of the charging process of the battery in which the cell voltages tend to lie even further below the cell voltage threshold, ie in one Phase in which switching on the cooling unit does not yet entail the risk of an uncontrolled shutdown of the battery due to the violation of the maximum cell voltage limit.
  • Several temperature measuring units may be arranged in the battery, which are designed to measure the temperature in different areas of the battery.
  • a hysteresis of the cell voltages can be taken into account.
  • the estimated value can be output via an interface of the battery management unit, in particular a CAN interface.
  • a further aspect of the invention relates to a motor vehicle having a battery system which comprises a battery, preferably a lithium-ion battery, and a battery management unit connected to the battery; also with a main control unit and with at least one additional electrical load, wherein the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle and the main control unit controls the additional load.
  • the motor vehicle is designed to carry out the method according to the invention during a charging process of the battery.
  • the motor vehicle comprises the battery system according to the invention.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a method according to the invention.
  • the method serves to monitor a charging process of a battery, which is arranged in the exemplary embodiment in a motor vehicle.
  • the motor vehicle comprises a suitable for cooling the battery air conditioning compressor as an additional consumer and a main control unit which controls the air conditioning compressor.
  • the process starts in step S10.
  • step S11 cell voltages of a plurality of battery cells connected in series, a battery charging current and a plurality of temperatures in different areas of the battery are measured during the charging process of the battery.
  • step S12 depending on the battery charging current, the cell voltages and the temperatures, a hypothetical maximum temperature in the battery is estimated which can be achieved in a region of the battery when the battery Charging is continued without interruption and without the air conditioning compressor.
  • a software of a battery management system of the battery can incorporate a prediction function that predicts from the given measured values a maximum temperature in a battery cell that occurs until a CC-CV charge within the battery is completed can, if the air conditioning compressor is not turned on.
  • the prediction function can take into account a hysteresis in the battery cells, which is characterized in that the cell voltage deviates from the rest voltage during the charging and discharging process. The amount of hysteresis is higher, the higher the respective charge or discharge current.
  • a model for predicting the maximum temperature as a function of said parameters is determined by previous measurements on a first prototype battery.
  • step S13 the estimated hypothetical maximum temperature in the battery is compared by the main controller with a predetermined temperature threshold, which corresponds to a temperature which should not be exceeded in the battery to avoid its irreversible damage. If the estimated hypothetical maximum temperature in the battery is not greater than the predetermined temperature threshold, then branching back to the beginning of the method in step S11, otherwise, in step S14 by the main controller is checked whether none of the measured cell voltages is higher than a predetermined cell voltage threshold. If this is the case, the air conditioning compressor suitable for cooling the battery is switched on by the main control unit in a step S15.
  • the charging process of the battery is aborted or the battery electrically disconnected by the main control unit in step S16 before the air conditioning compressor is switched on in S15.
  • a power consumption of the air conditioning compressor is blocked and prevents that required for the power consumption of the air conditioning compressor power is also supplied by the battery.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a battery system according to the invention, generally designated 30.
  • a battery 20 includes a plurality of battery cells 21 connected in series. There are provided a plurality of voltage measuring units 22 each measuring a cell voltage of a battery cell. In addition, temperature measuring units 23 are arranged in different areas of the battery.
  • a current measuring unit 24 measures a battery charging current during charging of the battery 20.
  • the voltage measuring units 22, the temperature measuring units 23 and the current measuring unit 24 are connected to a controller 25, which is adapted to a hypothetical maximum temperature during the charging of the battery depending on the measured values supplied by the voltage measuring units 22, the temperature measuring units 23 and the current measuring unit 24 Battery can be estimated, which can be achieved in an area of the battery when the charging process is continued continuously without the use of an air conditioning compressor.
  • the controller 25 may be configured to calculate the hypothetical maximum temperature as in the description of the FIG. 3 make the procedure described.
  • the main controller of the motor vehicle 32 turns on the air conditioning compressor 34 subject to the following condition.
  • the air conditioning compressor 34 When the air conditioning compressor 34 is turned on during a CC-CV charge of the battery 20, it needs a current of, for example, 50A for a short time. This current can not be provided by the charging module 33 alone, but must also be supplied by the battery system 30, thereby breaking the charge current , This intrusion is basically detected by the main control unit of the motor vehicle 32 and reported to a controller of the charging module 33, whereupon the controller of the charging module 33 counteracts by increasing the charging voltage, but this can either damage a battery cell 21 in which the cell voltage value exceeds a predetermined cell voltage threshold, or leads to an uncontrolled shutdown of the battery 20 by the battery management unit.
  • the main control unit of the motor vehicle 32 instead does not switch on the air conditioning compressor 34 when the maximum cell voltage value within the battery 20 sent by the battery management unit of the battery system 30 according to the invention to the main control unit of the motor vehicle 32 exceeds a predetermined cell voltage threshold.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Ladevorgangs einer Batterie, ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug, welches ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen.
    • Stand der Technik
  • In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batterien in Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Technologie eingesetzt, die eine große Anzahl in Reihe geschalteter elektrochemischer Batteriezellen aufweisen. Ein Batteriemanagementsystem wird zur Überwachung der Batterie eingesetzt und soll neben einer Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewähren. Dazu wird die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur gemessen und eine Zustandsschätzung (beispielsweise des Ladezustandes oder des Alterungszustandes der Batterie) vorgenommen. Um die Lebensdauer zu maximieren, ist es hilfreich, jederzeit die aktuell gegebene maximale Leistungsfähigkeit der Batterie zu kennen, also die maximal abgeb- oder aufnehmbare elektrische Leistung. Wird diese Leistungsfähigkeit überschritten, kann die Alterung der Batterie stark beschleunigt werden.
    Auch während eines Ladevorgangs der Batterie überwacht das Batteriemanagementsystem ständig wesentliche Parameter der Batterie, um eine Schädigung einzelner Batteriezellen oder der gesamten Batterie zu vermeiden. Fig. 1 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Ladestroms I und einer Zellspannung einer Batteriezelle U während eines aus dem Stand der Technik bekannten Ladevorgangs einer Lithium-Ionen-Batterie. In einer ersten Phase P1, der so genannten CC-Phase (constant current = CC), wird die Batterie mit einem konstanten Strom aufgeladen, so dass die Zellspannung einer Batteriezelle zunimmt. Ab Erreichen einer vorbestimmten Grenzspannung wird die Batterie in einer zweiten Phase P2, der so genannten CV-Phase (constant voltage = CV), bei einer konstanten Spannung weitergeladen, deren Wert beispielsweise einer Zellspannung von 4.1V entspricht und unterhalb einer kritischen maximalen Zellspannung (Abschaltgrenze Umax) liegt. Der Ladestrom nimmt in dieser Phase P2 näherungsweise exponentiell ab. Der Ladevorgang wird beendet, sobald entweder eine vorbestimmte Ladezeit erreicht oder ein vorbestimmter Wert des Ladestroms unterschritten wird. Die geschilderte Ladestrategie wird nach ihren charakteristischen Phasen als CC-CV Ladung bezeichnet.
  • Während des Ladevorgangs überwacht das Batteriemanagementsystem der Batterie ständig die Temperaturen in den die Batterie unterteilenden Batteriemodulen sowie alle Zellspannungen. Für den Fall, dass die vorbestimmten Sicherheitsschwellen für eine maximale Zelltemperatur oder eine minimale oder maximale Zellspannung (z.B. Umax in Fig.1) unter- oder überschritten werden, öffnet das Batteriemanagementsystem automatisch die Hochvolt-Schütze der Batterie und schaltet diese damit ab (bzw. stromlos). Diese Sicherheitsfunktion wird benötigt, um die Batterie vor einem irreparablen Schaden zu bewahren, der im Extremfall auch zur Instabilität des Batteriepacks führen könnte. Auch der Fall einer erhöhten Batterietemperatur (oberhalb einer vorbestimmten Betriebstemperatur) soll im Betrieb weitestgehend vermieden werden, da diese eine beschleunigte Alterung des Batteriepacks nach sich zieht.
  • Aus den oben genannten Gründen meldet das Batteriemanagementsystem auch während des Ladevorgangs fortlaufend die Werte der Zellspannungen und Modultemperaturen an ein Steuergerät eines zur Ladung der Batterie verwendeten Ladegeräts. Während des Ladevorgangs erwärmt sich die Batterie auf Grund von Verlustleistung. Um zu vermeiden, dass die Batterie während des Ladevorgangs den erlaubten Temperaturbereich verlässt, wird von einem Hauptsteuergerät eines die Batterie umfassenden elektrischen Kraftfahrzeugs ein Klimakompressor zugeschaltet, sobald die Batterietemperatur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
  • Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf eines Stroms IG und einer Spannung UG in bzw. an einem die Batterie, den Klimakompressor und das Ladegerät umfassenden Gesamtsystem während des Ladevorgangs der Batterie. Fig. 2b zeigt den gleichzeitigen Verlauf eines Ladestroms IB und einer Ladespannung UB in bzw. an der Batterie. In zwei Zeitpunkten t1 und t2 erfolgt jeweils ein Einschaltvorgang des Klimaprozessors. Dieser erfordert kurzfristig eine Erhöhung des Stroms IG, welcher nicht allein vom Ladegerät bereitgestellt werden kann, sondern auch aus der Batterie geliefert werden muss. Dies hat zur Folge, dass der Ladestrom IB in beiden Zeitpunkten kurzfristig einbricht. Das Steuergerät des Ladegeräts misst den Ladestromeinbruch und gleicht den Leistungsverlust umgehend durch eine Erhöhung der Ladespannung UB aus. Da der Klimakompressor bereits kurz nach dem Einschaltvorgang einen sehr viel kleineren Strom benötigt, wird kurz nach dem Einschaltvorgang die Batterie mit einer überhöhten Ladespannung UB geladen (siehe abrupte Erhöhung von UB kurz nach den Zeitpunkten t1 und t2 in Fig. 2b). Für den Fall, dass sich der Ladevorgang der Batterie in einer Phase mit relativ niedrigen Zellspannungen befindet (z. B. Zeitpunkt t1), ist dies unproblematisch. Für den Fall dagegen, dass sich der Ladevorgang der Batterie in einer Phase mit höheren Zellspannungen befindet (z. B. Zeitpunkt t2), kann eine unkontrollierte Abschaltung der Batterie infolge der Verletzung des maximalen Zellspannungslimits auftreten.
  • Die US 6 285 161 B1 offenbart ein Batterieladesystem, das einen Spannungsgrenzwert aufweist, wobei bei Überschreitung des Spannungsgrenzwertes ein Ableitstrom erzeugt wird.
  • Aus der US 2009/0153104 A1 ist ein Ladeverfahren für eine Batterie mit zwei Ladeschritten bekannt.
  • Die US 5652 501 A zeigt einen Spannungssensor zur Messung von Spannungen in Batteriezellen einer Batterie.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung eines Ladevorgangs einer Batterie, bevorzugt einer Lithium-Ionen-Batterie, zur Verfügung gestellt. Die Batterie, ein Lademodul, welches die Batterie mit einem Ladestrom versorgt, sowie mindestens ein zusätzlicher elektrischer Verbraucher sind Komponenten einer elektrischen Schaltung. Die Batterie umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Zellspannungen mehrerer Batteriezellen werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen, und eine Belastung der Batterie durch einen Einschaltvorgang des zusätzlichen elektrischen Verbrauchers wird verhindert, wenn die gemessene Zellspannung einer Batteriezelle einen vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet. Durch diese Verfahrensschritte wird eine unkontrollierte Abschaltung der Batterie infolge der Verletzung des maximalen Zellspannungslimits durch die Einschaltung des zusätzlichen Verbrauchers verhindert.
  • Die Batterie und der zusätzliche Verbraucher können Teile eines Kraftfahrzeugs sein, und ein Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs kann den zusätzlichen Verbraucher ansteuern. Erfindungsgemäß ist der zusätzliche Verbraucher eine elektrische Kühleinheit zur Kühlung der Batterie, insbesondere ein Klimakompressor.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich zu den Zellspannungen mehrerer Batteriezellen ein Batterieladestrom sowie mindestens eine Temperatur der Batterie in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen werden, in Abhängigkeit der Zellspannungen, des Batterieladestroms und der Temperatur ein Schätzwert ermittelt wird, welcher einer geschätzten Maximaltemperatur in der Batterie bei ununterbrochener Fortsetzung des Ladevorgangs entspricht; und die elektrische Kühleinheit eingeschaltet wird, wenn der Schätzwert einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert überschreitet, aber nicht, wenn die gemessene Zellspannung einer Batteriezelle den vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet. Dadurch wird erreicht, dass die Einschaltung der Kühleinheit zeitlich in eine frühere Phase des Ladevorgangs der Batterie vorverlegt wird, in welcher die Zellspannungen tendenziell noch weiter unterhalb des Zellspannungsschwellenwerts liegen, also in eine Phase, in welcher ein Einschalten der Kühleinheit noch nicht das Risiko einer unkontrollierten Abschaltung der Batterie infolge der Verletzung des maximalen Zellspannungslimits nach sich zieht.
  • Bei der Ermittlung des Schätzwertes kann eine Hysterese der Zellspannungen berücksichtigt werden. Der Schätzwert kann von einer Batteriemanagementeinheit ermittelt und an das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs gesendet werden. Außerdem kann der Schätzwert von der Batteriemanagementeinheit über einen CAN (Controller Area Network)-Bus an das Hauptsteuergerät des Fahrzeugs übermittelt werden.
  • Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie, bevorzugt einer Lithium-Ionen-Batterie, und einer mit der Batterie verbundenen Batteriemanagementeinheit, wobei die Batterie eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen umfasst. Die Batteriemanagementeinheit verfügt über mehrere Spannungsmesseinheiten, welche dazu ausgebildet sind, eine Zellspannung jeweils einer Batteriezelle zu messen, wenigstens eine Temperaturmesseinheit, welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Batterie zu messen, wenigstens eine Strommesseinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Batterieladestrom zu messen, und einen mit den Spannungsmesseinheiten, der Temperaturmesseinheit und der Strommesseinheit verbundenen Kontroller. Der Kontroller ist dazu ausgebildet, während eines Ladevorgangs der Batterie in Abhängigkeit des Batterieladestroms, der Zellspannungen und der Temperatur einen Schätzwert zu ermitteln, welcher der Maximaltemperatur in der Batterie bei ununterbrochener Fortsetzung des Ladevorgangs entspricht. Dadurch wird erreicht, dass in einem das Batteriesystem umfassenden Gesamtsystem auf Grundlage des Schätzwerts eine Einschaltung einer Kühleinheit zur Kühlung der Batterie schon in einer früheren Phase des Ladevorgangs der Batterie erfolgen kann, in welcher die Zellspannungen tendenziell noch weiter unterhalb des Zellspannungsschwellenwerts liegen, also in einer Phase, in welcher ein Einschalten der Kühleinheit noch nicht das Risiko einer unkontrollierten Abschaltung der Batterie infolge der Verletzung des maximalen Zellspannungslimits nach sich zieht.
  • Es können mehrere Temperaturmesseinheiten in der Batterie angeordnet sein, welche ausgebildet sind, die Temperatur in verschiedenen Bereichen der Batterie zu messen. Bei der Ermittlung des Schätzwertes kann eine Hysterese der Zellspannungen berücksichtigt werden. Außerdem kann der Schätzwert über eine Schnittstelle der Batteriemanagementeinheit, insbesondere eine CAN-Schnittstelle, ausgebbar sein.
  • Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem, welches eine Batterie, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie, und eine mit der Batterie verbundene Batteriemanagementeinheit umfasst; außerdem mit einem Hauptsteuergerät und mit mindestens einem zusätzlichen elektrischen Verbraucher, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist und das Hauptsteuergerät den zusätzlichen Verbraucher ansteuert. Das Kraftfahrzeug ist dazu ausgebildet, während eines Ladevorgangs der Batterie das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kraftfahrzeug das erfindungsgemäße Batteriesystem.
    • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 einen typischen zeitlichen Verlauf eines Ladestroms und einer Zellspannung einer Batteriezelle während eines aus dem Stand der Technik bekannten Ladevorgangs einer Lithium-Ionen-Batterie,
    • Figur 2 einen zeitlichen Verlauf eines Stroms und einer Spannung in einem Gesamtsystem (a) sowie einen gleichzeitigen Verlauf eines Ladestroms und einer Ladespannung in einer Batterie (b) aus dem Stand der Technik,
    • Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, und
    • Figur 5 eine Verschaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Überwachung eines Ladevorgangs einer Batterie, welche im Ausführungsbeispiel in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Außerdem umfasst das Kraftfahrzeug einen zur Kühlung der Batterie geeigneten Klimakompressor als zusätzlichen Verbraucher sowie ein Hauptsteuergerät, welches den Klimakompressor ansteuert. Das Verfahren startet in Schritt S10. In Schritt S11 werden während des Ladevorgangs der Batterie Zellspannungen mehrerer in Reihe geschalteter Batteriezellen, ein Batterieladestrom sowie mehrere Temperaturen in verschiedenen Bereichen der Batterie gemessen. In Schritt S12 wird in Abhängigkeit des Batterieladestroms, der Zellspannungen und der Temperaturen eine hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie geschätzt, welche in einem Bereich der Batterie erreicht werden kann, wenn der Ladevorgang ununterbrochen und ohne Einschaltung des Klimakompressors fortgesetzt wird. Um den Wert der hypothetischen Maximaltemperatur zu berechnen, kann in einer Software eines Batteriemanagementsystems der Batterie eine Vorhersage-Funktion eingebaut werden, die aus den angegebenen Messwerten eine maximale Temperatur in einer Batteriezelle vorhersagt, die bis zum Abschluss einer CC-CV Ladung innerhalb der Batterie auftreten kann, sofern der Klimakompressor nicht eingeschaltet wird. Die Vorhersage-Funktion kann eine Hysterese in den Batteriezellen berücksichtigen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zellspannung während des Lade- und Entladevorgangs von der Ruhespannung abweicht. Die Höhe der Hysterese ist dabei umso höher, je höher der jeweilige Lade- oder Entladestrom ist. Ein Modell zur Vorhersage der Maximaltemperatur in Abhängigkeit der genannten Parameter wird durch vorherige Messungen an einer ersten Prototypen-Batterie ermittelt.
  • Im Schritt S13 wird die geschätzte hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie durch das Hauptsteuergerät mit einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert verglichen, welcher einer Temperatur entspricht, welche in der Batterie nicht überschritten werden soll, um deren irreversible Beschädigung zu vermeiden. Wenn die geschätzte hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie nicht größer als der vorbestimmte Temperaturschwellenwert ist, wird zum Beginn des Verfahrens in Schritt S11 zurückverzweigt, anderenfalls wird im Schritt S14 durch das Hauptsteuergerät geprüft, ob keine der gemessenen Zellspannungen höher als ein vorbestimmter Zellspannungsschwellenwert ist. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt S15 der zur Kühlung der Batterie geeignete Klimakompressor durch das Hauptsteuergerät eingeschaltet.
  • Ist dagegen mindestens eine der gemessenen Zellspannungen höher als der vorbestimmte Zellspannungsschwellenwert, so wird durch das Hauptsteuergerät in Schritt S16 der Ladevorgang der Batterie abgebrochen bzw. die Batterie elektrisch abgekoppelt, bevor der Klimakompressor in S15 eingeschaltet wird. Somit wird zumindest während des Ladevorgangs der Batterie eine Leistungsaufnahme des Klimakompressors blockiert und verhindert, dass ein für die Leistungsaufnahme des Klimakompressors benötigter Strom auch durch die Batterie geliefert wird.
  • Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, insgesamt mit 30 bezeichneten Batteriesystems. Eine Batterie 20 umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 21. Es sind mehrere Spannungsmesseinheiten 22 vorgesehen, welche jeweils eine Zellspannung einer Batteriezelle messen. Außerdem sind Temperaturmesseinheiten 23 in verschiedenen Bereichen der Batterie angeordnet. Eine Strommesseinheit 24 misst während eines Ladevorgangs der Batterie 20 einen Batterieladestrom. Die Spannungsmesseinheiten 22, die Temperaturmesseinheiten 23 und die Strommesseinheit 24 sind mit einem Kontroller 25 verbunden, welcher dazu ausgebildet ist, während eines Ladevorgangs der Batterie in Abhängigkeit der von den Spannungsmesseinheiten 22, den Temperaturmesseinheiten 23 und der Strommesseinheit 24 gelieferten Messwerte eine hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie zu schätzen, welche in einem Bereich der Batterie erreicht werden kann, wenn der Ladevorgang ununterbrochen und ohne Einschaltung eines Klimakompressors fortgesetzt wird. Der Kontroller 25 kann dazu ausgebildet sein, die Berechnung der hypothetischen Maximaltemperatur wie bei dem in der Beschreibung der Figur 3 geschilderten Verfahren vorzunehmen.
  • Figur 5 zeigt eine Verschaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Das in Figur 4 dargestellte erfindungsgemäße Batteriesystem 30, ein Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 und ein Lademodul 33, welches das Batteriesystem 30 mit einem Ladestrom versorgt und welches nicht notwendigerweise Teil des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist, liegen an einem gemeinsamen Bus-System, insbesondere an einem Controlled Area Network (CAN)-Bus 31. Das Batteriesystem 30, das Lademodul 33 sowie ein Klimakompressor 34 sind als Komponenten einer elektrischen Schaltung untereinander verbunden, wobei alle drei Komponenten parallel geschaltet sind. Die Batteriemanagementeinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 sendet über den CAN-Bus 31 in Echtzeit folgende Werte an das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 und aktualisiert sie zyklisch:
    1. (1) Maximaler Zellspannungswert innerhalb der Batterie 20;
    2. (2) Minimaler Zellspannungswert innerhalb der Batterie 20; und
    3. (3) die hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie 20, welche in einem Bereich der Batterie 20 erreicht werden kann, wenn der Ladevorgang ununterbrochen und ohne Einschaltung des Klimakompressors 34 fortgesetzt wird.
  • Wenn die von der Batteriemanagementeinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 an das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 gesendete hypothetische Maximaltemperatur in der Batterie 20 einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert überschreitet, schaltet das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 den Klimakompressor 34 vorbehaltlich der nachfolgend genannten Bedingung ein.
  • Wenn der Klimakompressor 34 während einer CC-CV Ladung der Batterie 20 eingeschaltet wird, benötigt dieser kurzfristig einen Strom von beispielsweise 50 A. Dieser Strom kann nicht allein vom Lademodul 33 bereitgestellt werden, sondern muss auch vom Batteriesystem 30 geliefert werden, wodurch der Ladestrom einbricht. Dieser Einbruch wird grundsätzlich vom Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 erkannt und an einen Regler des Lademoduls 33 gemeldet, worauf der Regler des Lademoduls 33 über eine Erhöhung der Ladespannung gegensteuert, was jedoch entweder eine Batteriezelle 21 beschädigen kann, in welcher der Zellspannungswert einen vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet, oder zu einer unkontrollierten Abschaltung der Batterie 20 durch die Batteriemanagementeinheit führt.
  • Daher schaltet das Hauptsteuergerät des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 32 den Klimakompressor 34 stattdessen nicht ein, wenn der von der Batteriemanagementeinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 an das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs 32 gesendete maximale Zellspannungswert innerhalb der Batterie 20 einen vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Überwachung eines Ladevorgangs einer Batterie (20), wobei
    - die Batterie (20), ein Lademodul (33), welches die Batterie (20) mit einem Ladestrom versorgt, sowie mindestens ein zusätzlicher elektrischer Verbraucher (34) Komponenten einer elektrischen Schaltung sind;
    - wobei der zusätzliche Verbraucher (34) eine elektrische Kühleinheit (34) zur Kühlung der Batterie (20) ist,
    - die Batterie (20) eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (21) umfasst; und
    - Zellspannungen mehrerer Batteriezellen (21) in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen werden (S11), und
    - ein Batterieladestrom der Batterie (20) in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen wird (S11); und
    - mindestens eine Temperatur der Batterie (20) in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen wird (S11),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Belastung der Batterie (20) durch einen Einschaltvorgang der elektrischen Kühleinheit (34) zur Kühlung der Batterie (20) verhindert wird (S16), wenn die gemessene Zellspannung einer Batteriezelle (21) einen vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet (S14),
    wobei in Abhängigkeit der Zellspannungen, des Batterieladestroms und der Temperatur ein Schätzwert ermittelt wird, welcher einer geschätzten Maximaltemperatur in der Batterie (20) bei ununterbrochener Fortsetzung des Ladevorgangs entspricht (S12); und die elektrische Kühleinheit (34) eingeschaltet wird (S15), wenn der Schätzwert einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert überschreitet (S13), aber nicht wenn die gemessene Zellspannung einer Batteriezelle (21) den vorbestimmten Zellspannungsschwellenwert überschreitet (S14).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie (20) und der zusätzliche Verbraucher (34) Teile eines Kraftfahrzeugs sind und wobei ein Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs (32) den zusätzlichen Verbraucher (34) ansteuert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Ermittlung des Schätzwertes eine Hysterese der Zellspannungen berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 2 und 3, wobei der Schätzwert von einer Batteriemanagementeinheit ermittelt und an das Hauptsteuergerät des Kraftfahrzeugs (32) gesendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schätzwert von der Batteriemanagementeinheit über einen CAN-Bus (31) an das Hauptsteuergerät des Fahrzeugs (32) übermittelt wird.
  6. Ein Batteriesystem (30) mit einer Batterie (20), einer elektrischen Kühleinheit (34) zur Kühlung der Batterie (20) und einer mit der Batterie verbundenen Batteriemanagementeinheit, wobei die Batterie (20) eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (21) umfasst; und die Batteriemanagementeinheit über mehrere Spannungsmesseinheiten (22), welche dazu ausgebildet sind, eine Zellspannung jeweils einer Batteriezelle (21) zu messen, wenigstens eine Temperaturmesseinheit (23), welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Batterie zu messen, wenigstens eine Strommesseinheit (24), welche dazu ausgebildet ist, einen Batterieladestrom zu messen, und einen mit den Spannungsmesseinheiten (22), der Temperaturmesseinheit (23) und der Strommesseinheit (24) verbundenen Kontroller (25) verfügt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kontroller (25) dazu ausgebildet ist, während eines Ladevorgangs der Batterie (20) ein Verfahren nach Anspruch 1 auszuführen.
  7. Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei mehrere Temperaturmesseinheiten (23) in der Batterie angeordnet sind, welche ausgebildet sind, die Temperatur in verschiedenen Bereichen der Batterie zu messen.
  8. Batteriesystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schätzwert über eine Schnittstelle der Batteriemanagementeinheit, insbesondere eine CAN-Schnittstelle, ausgebbar ist.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (30) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kraftfahrzeug dazu ausgebildet ist, während eines Ladevorgangs der Batterie ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen.
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